DE2414281B2

DE2414281B2 - Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Bronitrid

Info

Publication number: DE2414281B2
Application number: DE2414281A
Authority: DE
Inventors: Vladimir P. Alekseevskij; Anatolij V. Botschko; Sanschik S. Dschamarov; Ivan N. Franzevitsch; Vladimir V. Jarosch; Gennadij G. Karjuk; Dmitrij M. Karpinos; Ivan P. Poltawa Kolomiez; Aleksandr V. Kurdjumov; Michail S. Poltawa Pivovarov
Original assignee: INSTITUT PROBLEM MATERIALOVEDENIJA AKADEMII NAUK UKRAINSKOJ SSR KIEW; POLTAVSKIJ ZAVOD ISKUSSTVENNYCH ALMASOV I ALMASNOGO INSTRUMENTA POLTAWA
Current assignee: INSTITUT PROBLEM MATERIALOVEDENIJA AKADEMII NAUK UKRAINSKOJ SSR KIEW; POLTAVSKIJ ZAVOD ISKUSSTVENNYCH ALMASOV I ALMASNOGO INSTRUMENTA POLTAWA
Priority date: 1972-12-18
Filing date: 1974-03-25
Publication date: 1978-04-27
Also published as: FR2261975A1; DE2414281C3; US3876751A; SE399053B; GB1459758A; DE2414281A1; FR2261975B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Bornitrid.

Das erfindungsgemäß hergestellte polykristalline Bornitrid findet hauptsächlich zur Herstellung von Schneidwerkzeugen Anwendung. Es ist ein Verfahren zur Herstellung eines extrem harten Produkts, wie kubischen Bornitrids, bekannt, das darin besteht, daß man unter Höchstdrücken (etwa 40kbar) und bei Hochtemperaturen (etwa 1000°C) das graphitähnliche Bornitrid in die kubische Modifikation überführt. Die Phasenumwandlung des Ausgangsbornitrids erfolgt in Anwesenheit von aus Alkali- und Erdalkalimetallen ausgewählten Katalysatoren (US-PS 29 47 617). Dieser Werkstoff wird in Form einzelner Einkristalle erhalten, die die Mohshärte von etwa 10 und eine hohe Wärmebeständigkeit (Temperatur des Übergangs in graphitähnliches Bornitrid unter Vakuum beträgt etwa 1500 bis 1800° C) besitzen. Für das erhaltene Produkt ist außerdem das Fehlen der Eisenaffinität charakteristisch.

Diese Eigenschaften sind bei der Verwendung des nach dem genannten Verfahren erhaltenen Produkts für die Metallbearbeitung von besonderem Wert. Die Größe der erhaltenen Einkristalle übersteigt jedoch 200 bis 300 μπι nicht Sie haben deshalb in Schleifwerkzeugen Verwendung gefunden, aber praktisch benutzt man sie in Einkristallwerkzeugen nicht, was den Anwendungsbereich von kubischem Bornitrid beschränkt und es nicht ermöglicht, die in diesem Werkstoff vorhandenen Vorteile vollständig zu nutzen. Bekannt sind auch Verfahren zur Herstellung von polykristallinen Verbundkörpern aus graphitähnlichem Bornitrid in Anwesenheit geringer Mengen von Alkali- und Erdalkalimetallen, Nitriden dieser Metalle sowie Übergangsmetall-

nitriden, -boriden und -karbiden.

Das Verfahren zur Phasenumwandlung von hexagonalem Bornitrid in die kubische Modifikation wird in diesem Falle unter Höchstdrücken (über 55 kbar) bei Hochtemperaturen (über 1500° C) durchgeführt.

Das nach diesem genannten Verfahren erhaltene polykristalline Bornitrid zeichnet sich durch eine hohe Härte aus und läßt sich bei der Bearbeitung von Stahl und Gußeisen mit Erfolg verwenden. Unter Stoßbelastungen wird jedoch die Meißelschneide, die aus diesem Werkstoff besteht wegen der geringen Plastizität des polykristallinen Bornitrids in der Regel abgeschert. Bekannt ist außerdem ein Verfahren zur Herstellung von kubischem Bornitrid durch Pressen eines Gemisches, das aus mit Hilfe von Schlagwellen hergestelltem wurtzitähnlichen Bornitrid und mittels Schlagwellen bearbeitetem kubischen Bornitrid besteht. Bei dem Gemisch können auf Grund der Herstellung nur Verunreinigungen an graphitischem Bornitrid vorliegen, wie aus den Beispielen 1 und 2 der DE-AS hervorgeht, wo nach der Behandlung des graphitischen Bornitrids mit einer Stoßwelle und Bildung von wurtzitähnlichem Bornitrid das Endprodukt von dem graphitischen Bornitrid durch Auswaschen getrennt wird. Die Ausbeute an wurtzitähnlichem Bornitrid beträgt nach dem bekannten Verfahren 52 bis 80%, wobei 20 bis 48% graphitisches Bornitrid bei der Anreicherung verloren gehen und damit auch das Verfahren länger dauert und das Produkt sich verteuert. Man führt das Pressen unter einem Druck von über 50 kbar und die anschließende Sinterung bei einer über 1200⁰C liegenden Temperatur (DE-AS 22 35 240) durch.

Das nach diesem Verfahren erhaltene polykristalline Produkt kann in Schneidwerkzeugen zur Bearbeitung von gehärteten Stählen und Gußeisen mit Erfolg eingesetzt werden. Diese besitzen jedoch eine ziemlich hohe Härte und unzureichende Plastizität und halten nicht immer Stoßbelastungen aus. Um diese polykristalline Produkte herzustellen, ist es außerdem erforderlich, ein Pulver von kubischem Bornitrid zur Bereitung eines Ausgangsgemisches im voraus herzustellen, wodurch die Herstellungstechnologie komplizierter wird.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist der, die genannten Nachteile zu vermeiden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Bornitrid zu entwickeln, durch welches polykristallines Bornitrid mit vorherrschend wurtzitähnlicher Struktur erhalten wird, wodurch ermöglicht wird, mit Hilfe einer vereinfachten Herstellungsmethode plastischere polykristalline Produkte zu erzeugen, welche sich bei der Bearbeitung von gehärteten Stählen und Gußeisen unter Stoßbelastungen anwenden lassen.

Der Gegenstand der Erfindung ist in den vorangestellten Ansprüchen definiert.

Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte polykristalline Bornitrid ist kompakt (2 bis 5% Porigkeit), seine pyknometrische Dichte liegt zwischen 3,25 und 338 g/cm³ und die Mikrohärte zwischen 4000 und 6000 kp/mm², während polykristallines kubisches Bornitrid eine Mikrohärte von 7000 bis 8000 kp/mm² aufweist Das erhaltene Produkt besitzt eine höhere Plastizität gegenüber polykristallinem kubischem Bornitrid. Werkzeuge, gefertigt aus diesem polykristallinen Verbundkörper, können unter Stoßbelastungen bei der Bearbeitung von gehärteten Stählen und Gußeisen lange Zeit verwendet werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es außerdem zweckmäßig, das erwähnte

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Gemisch vor der unmittelbaren Berührung mit dem Stoff des druckübertragenden Mediums zu schützen.

Diese Maßnahme bietet die Möglichkeit, polykristallines Bornitrid herzustellen, das vorzugsweise die Wurtzitstruktur besitzt, weil das Eindringen von die Bildung von Keimen des kubischen Sornitrids bewirkenden Verunreinigungen verhindert wird.

Anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung des Verfahrens zur Herstellung von Bornitridpalykristallen, des Zustandsdiagramms von Bornitrid (Bun- '" dy-Wentorf-Diagramm) und von Ausführungsbeispielen wird die vorliegende Erfindung näher erläutert.

Als Ausgangsstoff wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Gemisch verwendet, das wurtzitähnliches Bornitrid, hergestellt aus hexagonalem, graphitähnli- >⁵ chem Bornitrid durch Einwirkung einer Schlagwelle unter einem Druck von 100 bis 200kbar, und graphitähnliches Bornitrid enthält, das man auf ähnliche Weise bearbeitet, aber nicht in die dichte Modifkation übergeführt hat.

Das verwendete wurtzitähnliche Bornitrid ist durch eine hohe Fehlerhaftigkeit und Dispersität charakterisiert, und zwar beträgt die physikalische Linienverbreiterung des Röntgenogramms in der Fläche 110 bei der Kupferstrahlung etwa 1,7.10~²rad, die Temperatur des Rücküberganges in graphitähnliches Bornitrid beträgt etwa 600⁰C, die spezifische Oberfläche macht nicht weniger als 20 m²/g aus, die pyknometrische Dichte liegt zwischen 3,10 und 3,38 g/cm³, und die Brechungszahl ist etwa kleiner als 2,10 für Rot.

Das graphitähnliche, mittels Schlagwellen bearbeitete Bornitrid erhält auch eine fehlerhafte Struktur und wird mehr dispers (die physikalische Linienverbreiterung des Röntgenogramms in der Fläche 110 bei der Kupferstrahlung beträgt etwa l,2.10-²rad, die pyknometrische Dichte liegt zwischen 1,92 und 235 g/cm³ und die spezifische Oberfläche zwischen 10 und 30 m²/g).

Erfindungsgemäß wird ein Ausgangsgemisch verwendet, das weniger als 50 Gew.-% graphitähnliches, mittels Schlagwellen bearbeitetes Bornitrid enthält, was die Herstellung fester polykristalliner Produkte mit hoher Abschleiffestigkeit ermöglicht, bei denen das graphitähnliche Bornitrid vollständig in die Struktur von wurtzitähnlichem oder kubischem Bornitrid übergegangen ist. Die Verwendung der genannten Menge von graphitähnlichem Bornitrid ist in wirtschaftlicher Hinsicht von Vorteil. Es wird außerdem auch die technologische Aufgabe gelöst, die mit der Verminderung des Verschleißes der Preßausrüstungen unter Abriebwirkung und der Herabsetzung des Verkeilens ^r>⁽> beim Pressen des Auijgangsgemisches gegenüber dem Pressen von kubischem und wurtzitähnlichem Bornitrid verbunden ist, während die Leistung des Prozesses zunimmt, d. h. die Verwendung von graphitähnlichem Bornitrid vereinfacht das Herstellungsverfahren. ^r>5

Das genannte Gemisch, bestehend aus wurtzitähnlichem und graphitähnlichem Bornitrid, bringt man in einen Hochdruckbehälter, der mit einem Graphitheizkörper versehen ist, ein und preßt und sintert. Da das Ausgangsgemisch wurtzitähnliches Bornitrid enthält, «) führt man das Pressen und Sintern nach dem erfindungsgemäßen Verfahren im Bereich der thermodynamischen Beständigkeit dichter Bornitridmodifikationen durch, um den Rückübergang dieser Modifikationen in die Struktur von graphitähnlichem Bornitrid und ^h"> die Verschlechterung seiner Schleifeigenschaften zu vermeiden. Die untere Grenze dieses Bereichs wird durch die Gleichgewichtsünie 1 — dichte Bornitridmo-

⁴⁽¹

45 difikationen/hexagonales, graphitahnliches Bornitrid — im Bundy-Wentorf-Diagramm gebildet

Um Polykristalle im wesentlichen mit der Struktur von wurtzitähnlichem Bornitrid herstellen zu können, ist das Sintern unterhalb der Gleichgewichtslinie 2 wurtzitähnliches Bornitrid/kubisches Bornitrid - in demselben Diagramm durchzuführen. Aus dem nach Bundy und Wentorf ermittelten Zustandsdiagramm di;s Bornitrids geht hervor, daß über 40 kbar kubisches Bornitrid nur in Gegenwart von Katalysatoren erhalten wird. Wurtzitähnliches Bornitrid aus graphitähnlichem Bornitrid wird ohne Katalysatoren nur bei Drücken über 115 kbar und bei relativ hohen Temperaturen erhalten. Das kubische Bornitrid wurde ohne Katalysatoren bei denselben Drücken erhalten, jedoch bei Temperaturen im Bereich von 1200 bis 3000⁰C. Die Umwandlung erfolgte gewöhnlich nur zum Teil (nicht über 50%). Ein kompaktes Sinterprodukt mit hoher Härte und ausreichenden Schleifeigenschaften wurde nicht erhalten, wovon bereits bei der Analyse der bekannten Verfahren zur Herstellung von polykristallinen Bornitriden in der Beschreibung die Rede war.

Bei 50 kbar und 20° C wird erfindungsgemäß ein kompaktes polykristallines Produkt erhalten, das in erster Linie aus wurtzitähnlichem Bornitrid besteht

Auf Grund des Temperaturbereichs von 20 bis 3000⁰C kann man gemäß diesem Diagramm und durch Extrapolation der entsprechenden Kurven 1 und 2 den erforderlichen Druckbereich angeben, der in diesem Verfahren zwischen 50 und 300 kbar liegt Wegen der hohen Dispersität und Fehlerhaftigkeit der Ausgangskomponenten und des Vorhandenseins der fertigen wurtzitähnlichen Struktur wird das Sintern bei niedrigeren Temperaturen und Drücken durchgeführt, als dies bei der Herstellung von kubischem Bornitrid aus graphitähnlichem ohne Anwendung von Katalysatoren und vorherige Explosionsbearbeitung unter 120 bis 140 kbar Druck und 1900 bis 2500° C Temperatur gewöhnlich der Fall ist.

Falls man polykristalline Produkte nur mit Wurtzitstruktur herzustellen hat, verwendet man das Ausgangsgemisch mit dem Mindestgehalt an graphitähnlichem, mittels Schlagwellen bearbeitetem Bornitrid und isoliert es vom Graphitheizkörper und druckübertragenden Medium mit Hilfe eines Schirms, der beispielsweise aus Nickel, Titan, Molybdän, Tantal, Wolfram und anderen Metallen, d. h. aus Werkstoffen, die keine Katalysatoren in bezug auf Bornitrid sind, ausgeführt ist.

Das Vorhandensein der für das erfindungsgemäße Verfahren genannten Komponenten läßt sich mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse des Endwerkstoffs nachweisen.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten polykristallinen Bornitride sind kompakt (2 bis 5% Porigkeit), ihre Dichte liegt zwischen 3,25 und 338 g/cm², und ihre Mikrohärte betrügt 3000 bis 7000 kp/mm².

Werden sie als Meißel zur Bearbeitung von gehärteten Stählen und Gußeisen verwendet, so erhält man Teile, die hinsichtlich der Genauigkeit der Qualität 1 bis 2 und hinsichtlich der Rauhigkeit der behandelten Oberfläche Ra= 0,5 bis 0,25 mkm, wobei Ra den mittleren Rauhwert (GOST USSR 2789-73) bedeutet Die Schnittgeschwindigkeiten werden dabei von 60 bis 200 m/min für Stähle und von 50 bis 300—400 m/min für Gußeisen variiert. Man verändert den Vorschub von 0,02 bis 0,11 mm/U und die Schnittiefe zwischen 0,1 und 1,5 mm.

Beispiel 1

Ein Ausgangsgemisch, welches 10 Gew.-% graphitähnliches und 90 Gew.-% wurtzitähnliches Bornitrid enthält und durch Bearbeitung von graphitähnlichem ^r> Ausgangsbornitrid durch Explosion unter 120 kbar Druck an der Schlagwellenfront erhalten ist, bringt man in einen Graphitheizkörper ein, preßt unter 80 kbar und erhitzt auf eine zwischen 1600 und 1800⁰C liegende Temperatur während 1 bis 2 min, wodurch feste u> schwarze Verbundkörper mit 2 bis 3% Porigkeit erhalten werden, die die Struktur sowohl von Wurtzit als auch von kubischem Bornitrid gleichzeitig aufweisen, wobei ihre Mikrohärte zwischen 5000 und 6000 kp/mm² liegt. i'i

Die aus solchen polykristallinen Bornitriden hergestellten Meißel wiesen beim Drehen von gehärteten Stählen HRC 60-65 (Härte nach Rockwell) eine Standzeit von 60 bis 80 min vor Freiflächenverschleiß Δ h = 0,4 mm bei Schnittgeschwindigkeiten ν = 80 bis 2·' 100 m/min, einem Längsvorschub s = 0,07 mm/U und einer Schnittiefe t = 0,2 mm auf. Die Rauhigkeit entspricht 0,5—0,25 mkm. Hartmetallmeißel haben praktisch unter solchen Betriebsbedingungen (Standzeit von 0,5 bis 1 min) nicht gearbeitet. 2^r>

Beispiel 2

Ein Ausgangsgemisch, welches 95% wurtzitähnliches Bornitrid und 5% graphitähnliches Bornitrid enthält und durch Bearbeitung von graphitähnlichem Ausgangsbor- j<> nitrid mittels Schlagwellen unter 120 kbar Druck an der Schlagwellenfront erhalten ist, bringt man in einen Graphitheizkörper ein, der vom Gemisch durch einen Nickelschirm isoliert ist, preßt bei 80 kbar Druck und erhitzt auf 1500⁰C während 2 bis 3 min, wodurch feste r> Verbundkörper mit Wurtzitstruktur erhalten werden, deren Porigkeit 2 bis 3% und deren Mikrohärte 4000 bis 5000 kp/mm² betragen. Die aus solchen polykristallinen Produkten hergestellten Meißel wiesen beim Drehen von gehärtetem Stahl HRC 56—58 bei einer Geschwin- w digkeit ν = 100 m/min, einem Längsvorschub s = 0,11 mm/U und einer Schnittiefe t = 0,3 mm eine Standzeit von etwa 80 min vor Freiflächenverschleiß Δ h = 0,4 mm auf. Die Rauhigkeit entspricht 0,5 bis 0,25 mkm. Die Standzeit von Hartmetallmeißeln betrug 5 bis 7 min.

Beispiel 3

Polykristalline Produkte, hergestellt nach der in den Beispielen 1 und 2 beschriebenen Technologie, wurden für die Fertigung von Meißeln benutzt, die gehärtete Stahlflächen (HRC 55 bis 65) unter Stoßbelastungen bearbeiten können. Beim Drehen eines zylindrischen Stahlwerkstücks HRC 62 mit 3 Reihen von in radialer Richtung ausgebohrten Öffnungen (4 öffnungen am Umfang) von 10 mm Durchmesser betrug die Standzeit dieser Meißel 15 min unter ν = 225 m/min, s = 0,07 mm/U und t = 0,15 mm.

Bei ν = 100 m/min, s = 0,07 mm/U, t = 0,2 mm betrug die Standzeit 25 min.

Hartmetallmeißel wurden bei der Bearbeitung der ersten öffnungen abgeschert.

Beispiel 4

Ein Ausgangsgemisch, welches 65% wurtzitähnliches und 35% graphitähnliches Bornitrid enthält, durch Bearbeitung von graphitähnlichem Ausgangsbornitrid mittels Schlagwellen unter etwa 100 kbar an der Schlagwellenfront erhalten wurde und in einen Graphitheizkörper ohne Metallschirm eingebracht ist, preßt man auf etwa 100 kbar und erhitzt auf 2000⁰C während 3 min, wodurch Verbundkörper hergestellt werden, welche sowohl die Wurtzitstruktur als auch die Struktur von kubischem Bornitrid sowie dieselben Eigenschaften, wie in Beispiel 1 beschrieben, aufweisen.

Alle in den Beispielen angeführten Druck- und Temperaturwerte liegen im genannten Bereich im Bundy-Wentorf-Zustandsdiagramm von Bornitrid und geben die Möglichkeit, den erfindungsgemäßen Werkstoff mit den in der Beschreibung und den Beispielen aufgezählten Eigenschaften herzustellen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Bornitrid, bei dem man ein Gemisch preßt, das hochfehlerhaftes wurtzitähnliches Bornitrid, hergestellt unter Anwendung von Schlagwellen, als eine der Komponenten enthält, dadurch gekennzeichnet, daß ein derartiges Gemisch zusätzlich 5—50Gew.% graphitähnliches Bornitrid enthält, und daß das Gemisch dem Pressen unterworfen und auf Temperaturen und unter Drücken erhitzt wird, welche dem Bereich im Zustandsdiagrnmm von Bornitrid entsprechen, der durch die Gleichgewichtslinie — graphitähnliches Bornitrid/dichte Bornitridmodifikationen — und die Gleichgewichtslinie — kubisches Bornitrid/wurtzitähnliches Bornitrid — begrenzt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man auf das Gemisch einen Druck von etwa 50 bis 300kbar bei etwa 20 bis 3000° C einwirken läßt

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch während des Pressens und Erhitzens vor der unmittelbaren Berührung mit dem Material des Mediums mit Hilfe eines Metallschirmes, bei dem das Metall kein Katalysator für Bornitrid ist, geschützt wird, welches den Druck zur Herstellung von Bornitridpolykristallen mit der wurtzitähnlichen Struktur überträgt.